Приложение 4. Активные формы кислорода. Природа АФК и пути их образования в клетке / Приложения к части II / Часть II. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ТЕОРЕМЫ О ПРОДЛЕНИИ МОЛОДОСТИ / Книга: Жизнь без старости / … / Медицинский справочник

Приложение 4. Активные формы кислорода. Природа АФК и пути их образования в клетке / Приложения к части II / Часть II. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ТЕОРЕМЫ О ПРОДЛЕНИИ МОЛОДОСТИ / Книга: Жизнь без старости / ... / Медицинский справочник Кислород

Антиоксидантная
система организма, факторы клеточной защиты

Высказывается точка зрения о нескольких уровнях защиты клеток
мак-роорганизма от активных форм кислорода, которые могут быть представлены
следующим образом:

— системная защита клеток за счет значительного снижения
напряжения O2 в тканях по сравнению с атмосферным воздухом;

— обеспечивается в процессе четырехэлектронного
восстановления основной массы внутриклеточного O2 при участии цитохромоксидазы
без освобождения свободных радикалов;

— ферментативное удаление образовавшихся супероксидного
анион-радикала и H2O2;

— наличие ловушек свободных радикалов (антиоксидантов);

— ферментативное восстановление гидроперекисей
полиненасыщенных жирных кислот.

Эффекторные компоненты антиоксидантной системы называются
антиоксидантами. Число эндогенных соединений, относимых к антиоксидантам,
постоянно возрастает. Нет единой универсальной классификации антиоксидантов.

Некоторыми авторами предпринята попытка классификации
антиоксидантов с точки зрения их ММ на 2 группы:

группа. Высокомолекулярные соединения — ферменты
антиоксидантной защиты, а также белки, способные связывать ионы Fe и Cu,
являю-щиеся катализаторами свободнорадикальных процессов. Антиоксидантные
ферменты (СОД, церулоплазмин, каталаза, глутатионзависимые ферменты)
обеспечивают комплексную антирадикальную защиту биополимеров.

К числу белков, обладающих способностью связывать металлы с
переменной валентностью и соответственно обладающих антиоксидантными
свойствами, относят альбумины крови, трансферрин, ферритин, лактоферрин. Многие
из них весьма эффективны в ингибировании свободнорадикаль-ных процессов, но
слабо проникают через мембраны и тканевые барьеры.

группа. Низкомолекулярные антиоксиданты: некоторые
аминокислоты, полиамины, мочевина, мочевая кислота, глутатион, аскорбиновая
кислота, билирубин, токоферол, витамины группы A, K, P.

При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях
переноса электронов, эффективность функционирования которых определяется
работой всех компонентов.

Эффекты антагонизма установлены в действии смеси токоферола с
природными хинонами (убихиноном, филлохиноном). Напротив, фосфолипиды усиливают
активность всех антиоксидантов, независимо от их природы.

Таким образом, рассматривая в общем виде антиоксидантные
системы, следует иметь в виду, что организм располагает ферментативными
системами, ингибирующими ПОЛ на этапе инициации. Так, СОД инактивирует
супероксиданионрадикал, субстратами действия глутатионпероксидазы и каталазы
являются перекись водорода и гидроперекиси липидов.

Действие ферментных антиоксидантов дополняется в целостном
организме естественными антиоксидантами, в частности, витаминами группы Е,
стероидными гормонами, серусодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислотой,
витаминами группы A, K и P, убихиноном, пептидами, производными
гаммааминомасляной кислоты, фосфолипидами, продуктами метаболизма эйкозаноидов,
а также тиолами, в частности, эрготионеином, содержащимся в эритроцитах печени,
мозге.

Важную роль в антиоксидантной защите играют карнозин и его
производные. Как известно, карнозин является природным дипептидом, способным
метаболизироваться в организме человека и животных, обладает стабилизирующим
эффектом в отношении pH среды, а также способностью взаимодействия с OH,
супероксиданионрадикалом и гипохлориданионом с последующей их инактивацией.
Карнозин регулирует за счет антиоксидантных свойств поведенческие реакции.

Касаясь особенностей функционирования ферментного звена
антиоксидантной системы следует отметить, что реакции дисмутации
супероксиданионрадикала и разложения H2O2 экзотермичны, а катализирующие эти
реакции СОД и каталаза не нуждаются в кофакторах, что делает их активность не
зависящей от функционирования других клеточных структур. СОД ускоряет
спонтанную реакцию в 200 раз.

Полагают, что уровень активности внутриклеточных
ферментативных антиоксидантных систем генетически детерминирован, причем избыточное
накопление в клетках супероксидного анион-радикала или перекиси водорода
сопровождается депрессией участков генома, ответственного за активность
внутриклеточных ферментативных антиоксидантных систем.

Обнаружено несколько изоэнзимных форм СОД, отличающихся
строением активного центра. У эукариотов Cu-, Zn-содержащая СОД локализуется в
основном в цитозоле эритроцитов, в межмембранном пространстве митохондрий, в
цитоплазме и ядре нервных клеток. Фермент чувствителен к цианиду, представляет
собой металлопротеид с ММ 32000-33000, состоит из двух субъединиц, каждая из
которых связывает 1 атом Cu и 1 атом Zn.

СОД локализована в митохондриях печени
и миокарда эукариот, вблизи анионных каналов. Для микроорганизмов характерны
железосодержащий и марганецсодержащий изоферменты. Mn-СОД состоит из 4
субъединиц с ММ 20 000 каждая, механизм действия энзима, вероятно, подобен
действию Cu-, Zn-СОД-фермента, то есть металл в активном центре попеременно
меняет свою валентность: Mn3 , Mn2 .

Описанные выше изоферментные формы СОД являются
внутриклеточными ферментами, в межклеточной жидкости (плазма крови, лимфа,
синовиальная жидкость) они разрушаются в течение 5-10 минут. В то же время
обнаружена экстрацеллюлярная высокомолекулярная форма СОД (ММ 120000 Д), хорошо
связывающаяся гепаринсульфатом гликокаликса эндотелиоцитов, локально защищает
их от свободных радикалов.

СОД существенно ускоряет дисмутации супероксиданионрадикала.
Однако, несмотря на высокую специфичность фермента, при определенных условиях
Cu-СОД может взаимодействовать с H2O2 и выступать в качестве прооксиданта.

В последние годы были синтезированы модифицированные
препараты СОД и каталазы, ассоциированные с иммуноглобулинами, сывороточным
альбумином, высокомолекулярными спиртами, в частности, полиэтиленгликолями, что
обеспечивало стабильность ферментов и длительность их циркуляции в крови.

Церулоплазмин или голубая феррооксидаза — гликопротеид
сыворотки крови, образующийся в печени, катализирует реакцию:

Fe2 4H O2 — > 4Fe3 H2O

Он способствует окислению полиаминов, полифенолов,
аскорбиновой кислоты, возможно участвует в транспорте меди. Прямая
антиоксидантная функция определяется супероксиддисмутазной и ферриоксидазной
активностью, а непрямые антиоксидантные свойства связаны с окислением Fe2 и
аскорбината, потенциальных источников супероксидного анион-радикала. Это
основной реактант острой фазы воспаления.

Как указывалось, в процессе дисмутации супероксидного
анион-радикала образуется H2O2, восстанавливаемая до H2O в основном каталазой и
глутатионпероксидазой.

Каталаза — хромопротеид с ММ около 240 000 Д, состоит из 4
субъеди-ниц, имеющих по одной группе гема, локализуется в основном в
пероксисомах, частично — в микросомах и в меньшей мере — в цитозоле. Полагают,
что каталаза не имеет высокого сродства к H2O2 и не может эффективно
обезвреживать это соединение при низких концентрациях, имеющихся в цитозоле. В
пероксисомах, где концентрация H2O2 высока, каталаза активно разрушает ее.

Разложение H2O2 каталазой осуществляется в два
этапа: -каталаза 2 H2O2 — > окисленная каталаза H2O2 — >
Fe3 -каталаза H2O2 O2.

При этом в окисленном состоянии каталаза работает как
пероксидаза. Субстратами в пероксидазной реакции могут быть этанол, метанол,
формиат, формальдегид и другие доноры водорода.

Следует отметить, что около 0,5% O2, образующегося в
результате разложения H2O2, возникает в возбужденном синглетном состоянии и
таким образом в процессе разложения перекиси водорода вновь генерируются
активные формы O2.

Активности каталазы и СОД коррелируют между собой, что может
быть связано с переключением потока электронов с одной цепи транспорта на
другую. В этих условиях СОД и каталаза действуют как звенья одной системы
утилизации O2, размещенные в разных участках клетки.

Максимальная концентрация каталазы обнаружена в эритроцитах.

Важнейшей системой инактивации свободных радикалов являются
восстановленный глутатион и комплекс ферментов — глутатионпероксидазы,
глутатионтрансферазы и глутатионредуктазы.

Глутатион синтезируется в печени, откуда транспортируется в
различные органы и ткани, обеспечивает восстановление дисульфидных групп
белков, дигидроаскорбиновой кислоты, с участием глутатион-трансферазы образует
конъюгаты в печени с электрофильными соединениями и последующим выведением их с
мочой.

Инактивация H2O2 в клетках обеспечивается также
глутатионпероксидазой (ГПО), последняя является Se-содержащим ферментом, около
70% ее локализовано в цитоплазме и около 30% — в митохондриях всех клеток
млекопитающих. Глутатион-пероксидаза — белок с ММ 84000-88000, состоит из 4
идентичных субъединиц, каждая из которых включает 1 атом Se.

Глутатионпероксидаза катализирует реакцию восстановления
гидроперекиси с помощью глутатиона, обладает широкой субстратной специфичностью
по отношению к гидроперекисям, но абсолютно специфична к глутатиону. Сродство
глутатионпероксидазы и H2O2 выше, чем у каталазы, поэтому первая более
эффективно работает при низких концентрациях субстрата, в то же время в защите
клеток от окислительного стресса, вызванного высокими концентрациями H2O2,
ключевая роль принадлежит каталазе. Последнее особенно четко продемонстрировано
на эндотелиальных клетках.

В клетках млекопитающих, кроме S-зависимой ГПО, выявлена ГПО
без S с ММ 39000-46000, катализирующая восстановление гидроперекисей
органических соединений в том числе и полиненасыщенных жирных кислот, но ее
эффективность в отношении H2O2 чрезвычайно низка.

Стресс через адренергические рецепторы, цАМФ и протеинкиназу
стимулирует активность ГПО.

Бесселеновая глутатионпероксидаза локализована в
митохондриальных мембранах печени, почек, сердца, в то время как селеновая — в
эритроцитах.

ГПО принадлежит активная роль в защите лизосомальных мембран
от перекисного окисления.

ГПО элиминирует перекиси стеринов и нуклеиновых кислот,
является адаптивным ферментом, активность которого регулируется продуктами
липопероксидации и активными формами O2. Важным компонентом антиоксидантной
системы является глутатионтрансфераза, ингибирующая инициацию ПОЛ и
обезвреживающая токсические метаболиты ПОЛ. Фермент активируется через цАМФ.
Тканевая ГПО, по мнению ряда авторов, представляет собой изоформу
глутатионтрансферазы.

Важную роль в инактивации свободных радикалов отводят
внутриклеточным и внеклеточным ловушкам, обеспечивающим обрыв цепи
свободнорадикального окисления.

Эффективными «перехватчиками» радикалов являются
фенольные антиоксиданты, в частности, простые фенолы, нафтолы и оксипроизводные
других ароматических соединений. В настоящее время выделено несколько тысяч
фенольных соединений, среди которых выраженным антиоксидантным эффектом
обладают витамины Е и К, убихиноны, триптофан и фенилаланин, а также
большинство растительных и животных пигментов, в частности, каротиноиды,
флавоноиды, фенокарбоксильные кислоты.

Фенольные антиоксиданты (ликопен, каротины, билирубин) служат
ингибиторами супероксидного анион-радикала, синглетного кислорода, гидроксильного
радикала.

К одному из самых эффективных антиоксидантов, принимаемых с
пищей можно отнести витамин Е. Недостаток витамина Е способствует деструкции
мембран и экскреции креатина с мочой. Витамин Е — мощный антимутаген, в
физиологических концентрациях является регулятором тканевого дыхания, а
антиоксидантные свойства его проявляются при 10-15-кратном повышении этих доз.

Витамин Е чаще всего принимается вкупе с витамином С.
Аскорбиновая кислота может выступать в качестве донора и акцептора ионов
водорода благодаря наличию в структуре двух фенольных групп, ее антиоксидантные
свойства характеризуются широким спектром инактивирующего действия на различные
свободные радикалы. Аскорбиновая кислота превосходит другие антиоксиданты
плазмы крови в защите липидов от перекисного окисления.

Обращает на себя внимание тот факт, что в присутствии ионов
Fe или Cu аскорбиновая кислота становится мощным прооксидантом. Антиоксидантные
свойства аскорбиновой кислоты связаны с ее окси-редуктазными переходами. Теряя
атом водорода, аскорбиновая кислота превращается в радикал — монодегидроаскорбиновую
кислоту, проявляющую прооксидантный эффект, потеря еще одного атома H приводит
к образованию дегидроаскорбиновой кислоты.

При этом участвует фермент,
содержащий медь — аскорбатоксидаза. Известно, что аскорбиновая кислота
восстанавливает продукт окисления токоферола — токофероксид в токоферол.
Витамины P и C также восстанавливаются. Аскорбиновая кислота более стабильна в
присутствии метилметионина, обеспечивающего не только восстановление
дегидроаскорбиновой кислоты, но и полноценность функционирования глутатионового
звена антиоксидантной.

Важная роль в антиоксидантной защите организма отводится
SH-содержащим соединениями к числу которых относятся помимо вышеописанного
трипептида — глутатиона цистеин, цистин и метионин.соединениям отводится
ведущая роль в защите клеток от радикала OH.

В связи с коротким периодом жизни
и радиусом диффузии OH. в биологических системах указанное соединение не
подвергается ферментативной инактивации и в то же время может оказать сильное
цитотоксическое и мутагенное действие, последние определяет значимость
SH-содержащих соединений — активных перехватчиков OH. — радикалов.

При
различных стрессорных воздействиях, под влиянием эффектов токсических и
ферментативных факторов патогенности различных инфекционных возбудителей, в
частности, чумы, анаэробной газовой инфекции, стрептостафилококковой групп
бактерий, наблюдается обратимая окислительная модификация SH-групп, приводящая
к увеличению дисульфидных групп, что является типовой неспецифической реакцией
организма на действие экстремального раздражителя.

Однако изменение соотношения восстановленных и окисленных
тиогрупп в сторону преобладания последних изменяет состояние проницаемости
клеточных мембран, их адгезивные свойства, приводит к резкому угнетению функции
серусодержащих ферментов или коферментов (липоевой кислоты, коэнзима А,
глутатиона), нарушению работы тиоловых металлопротеидов (цитохром P-450), ряда
гормональных рецепторов и факторов транскрипции.

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя(с большинством химических элементов) и свойства восстановителя(только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами. Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

O2   2F2  →  2OF2

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:

S O2 → SO2

  Si O2 → SiO2

1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

4P      3O2  →   2P2O3

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

4P      5O2  →   2P2O5

1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):

    N2  O2→  2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием  и алюминием кислород  также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca       O2 → 2CaO

Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

    2Na O2→  Na2O2

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

    K O2→  KO2

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn O2→  2ZnO

Железо, в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe O2→  2FeO

4Fe 3O2→  2Fe2O3

3Fe 2O2→  Fe3O4

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C     O2  →  CO2

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C     O2  →  2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды. При этом образуются оксиды:

4FeS 7O2→  2Fe2O3 4SO2

Al4C3 6O2→  2Al2O3 3CO2

Ca3P2 4O2→  3CaO P2O5

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

  • летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды: 

2H2S 3O2→  2H2O 2SO2

Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:

4NH3 3O2→  2N2 6H2O

Аммиакокисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

4NH3 5O2→  4NO 6H2O

  • прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS2 3O2→  CO2 2SO2

  • некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO O2→  2CO2

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):

4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3

Кислород окисляет азотистую кислоту:

2HNO2 O2 → 2HNO3

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH4 2O2→  CO2 2H2O

2CH4 3O2→  2CO 4H2O

CH4 O2→  C  2H2O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий